張心保， 王志斌， 紀(jì)平， 趙振鐸， 范光偉

(1. 太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司，先進(jìn)不銹鋼材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030003；2. 山西太鋼不銹鋼股份有限公司，太原 030003)

0 前言

鉻鎳奧氏體不銹鋼是現(xiàn)有5大類(lèi)不銹鋼中綜合性能最好、牌號(hào)最多、品種及規(guī)格最全、適用范圍最廣、發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一類(lèi)不銹鋼。在世界范圍內(nèi)，鉻鎳奧氏體不銹鋼的產(chǎn)量一般占不銹鋼總產(chǎn)量的50%～60%以上，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域及日常生活用品中[1-5]。一般認(rèn)為，奧氏體類(lèi)不銹鋼焊接工藝成熟，焊接性優(yōu)良，可適用于幾乎所有的焊接方法，在正確選擇焊接方法和工藝的前提下，焊接接頭產(chǎn)生缺陷的可能性很小。但是奧氏體不銹鋼具有導(dǎo)熱性差、熱脹系數(shù)大、熔池粘度系數(shù)大等特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中，由微量元素導(dǎo)致的焊接缺陷時(shí)有發(fā)生，這些缺陷具有體積小、數(shù)量多、無(wú)規(guī)律分布、肉眼難以發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)，且難以通過(guò)工藝因素來(lái)消除。以下就結(jié)合在生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的幾例由微量元素導(dǎo)致的焊接熱裂紋、焊縫凹坑及表面夾渣、焊縫成形不良等缺陷進(jìn)行分別介紹及失效分析，并總結(jié)了產(chǎn)生原因并提出避免措施，對(duì)于鋼鐵制造企業(yè)及不銹鋼材料加工企業(yè)都具有一定的參考意義。

1 304LN不銹鋼焊接接頭近縫區(qū)熱裂紋

厚度5 mm的304LN不銹鋼在用于制造LNG罐時(shí)，采用的焊接工藝為等離子焊打底+熱絲TIG蓋面，具體的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1，焊材選用E308L奧氏體焊絲。獲得的焊縫外觀如圖1所示，罐體由數(shù)條直焊縫及環(huán)焊縫組成。焊后進(jìn)行數(shù)碼X射線探傷(RT)及表面滲透著色探傷(PT)無(wú)損檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)大量的細(xì)小裂紋，這些裂紋的特點(diǎn)是起源于接頭的近縫區(qū)表面并向外側(cè)及厚度方向內(nèi)部沿晶界擴(kuò)展，與焊縫垂直，呈現(xiàn)典型的沿晶開(kāi)裂特征，如圖2及圖3所示，有的裂縫深度可達(dá)到2～3 mm，這些裂紋導(dǎo)致構(gòu)件無(wú)法滿足使用要求，作為壓力容器也不允許大量進(jìn)行焊接缺陷部位的修復(fù)影響安全性能，因此為不合格品。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 PAW打底+TIG蓋面接頭截面

在圖3所示的裂紋處進(jìn)行EDS微區(qū)成分分析，可以看出成分組成除了常規(guī)的Fe，Mn，Ni，Si等外，含有較多的Cu元素，而Cu元素并不是作為不銹鋼中的微量元素添加進(jìn)去的。另外，結(jié)果表明，銅元素是在局部區(qū)域富集，含量?jī)H次于Mn和Fe元素，這種形態(tài)對(duì)不銹鋼的焊接性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

圖3 裂紋微觀形貌及裂紋處EDS分析

為了進(jìn)一步研究銅元素在不銹鋼母材表面的分布情況，在離熱影響區(qū)較遠(yuǎn)處母材選區(qū)進(jìn)行背散射圖觀察，圖4a是呈現(xiàn)異常形貌的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)由2種顏色不同的區(qū)域組成，即比例較小的淺色區(qū)和比例較大的深色區(qū)。圖4b中所選區(qū)域的EDS結(jié)果表明，該淺色區(qū)域的主要元素是Cu。很明顯，表面的銅并不是來(lái)自不銹鋼材料本身，而是來(lái)自外部的銅污染。經(jīng)過(guò)對(duì)該不銹鋼材料的加工過(guò)程的跟蹤，發(fā)現(xiàn)該表面的銅元素是在材料的加工過(guò)程受到了其它銅工件的刮擦碰撞所致。銅是一種熔點(diǎn)較低的金屬，只有1 083 ℃，并且強(qiáng)度及硬度均遠(yuǎn)低于不銹鋼，因此，當(dāng)2種金屬發(fā)生摩擦或碰撞時(shí)，銅極易粘附在不銹鋼的表面造成銅污染。

圖4 遠(yuǎn)離熱影響區(qū)處母材背散射圖及SEM形貌

焊接過(guò)程中，靠近焊縫的高溫?zé)嵊绊憛^(qū)溫度可達(dá)1 200 ℃以上，在此溫度下，粘附在不銹鋼表面的銅迅速熔化，液態(tài)銅很容易沿著奧氏體晶粒的晶界發(fā)生完全潤(rùn)濕作用，即滲透到奧氏體晶粒的晶界處，在焊后冷卻過(guò)程，在拉應(yīng)力的作用下，由于液態(tài)銅來(lái)不及凝固，即使在奧氏體晶界處凝固的銅薄膜強(qiáng)度也較低，被銅潤(rùn)濕的晶界處就會(huì)發(fā)生沿晶開(kāi)裂，如圖3a所示。理論研究表明，潤(rùn)濕現(xiàn)象的發(fā)生與固液相之間的界面能和晶粒之間的晶界能密切相關(guān)。當(dāng)2倍的固-液相界面能2σSL小于奧氏體晶粒之間的晶界能σGB時(shí)，奧氏體晶粒就會(huì)被銅液完全潤(rùn)濕。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，這種完全潤(rùn)濕現(xiàn)象就越容易發(fā)生[6-7]。焊接熱影響區(qū)高溫區(qū)的溫度在1 200 ℃以上，在此溫度下，潤(rùn)濕現(xiàn)象在短暫焊接熱循環(huán)過(guò)程中即可完成，在潤(rùn)濕作用和由受到拘束而產(chǎn)生的拉應(yīng)力的作用下，晶界被液態(tài)銅完全滲透的HAZ的奧氏體發(fā)生了沿晶開(kāi)裂并擴(kuò)展。該焊接缺陷是屬于由于銅污染而導(dǎo)致的焊接熱裂紋現(xiàn)象，找到產(chǎn)生裂紋的原因后，對(duì)不銹鋼焊接坡口處10 cm范圍內(nèi)進(jìn)行了表面打磨處理后再進(jìn)行焊接，消除產(chǎn)生焊接熱裂紋的條件，再次進(jìn)行焊接后獲得了完好的焊接接頭。

2 316L不銹鋼焊縫表面凹坑及夾渣

無(wú)填充焊材的母材自熔化TIG焊接工藝是直縫焊管制造中常采用的方法，一般用于UO成形的連續(xù)焊管生產(chǎn)線中焊接壁厚小于3 mm的薄壁小直徑焊管。在生產(chǎn)制造規(guī)格為φ50 mm×1.2 mm的316L不銹鋼直縫焊管時(shí)，采用的焊接工藝參數(shù)為焊接電流170～180 A，焊接速度1.8 m/min，保護(hù)氬氣流量12 L/min。焊接完成后焊管內(nèi)部用芯棒擠壓平背部焊縫余高，而外焊縫則用百葉輪打磨平余高。打磨后在焊縫表面發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量分布無(wú)規(guī)律的凹坑缺陷，如圖5所示，這些凹坑破壞了焊縫的連續(xù)性，影響焊縫的強(qiáng)度，被認(rèn)定是廢品。另外，此類(lèi)缺陷在304不銹鋼中也會(huì)產(chǎn)生，形態(tài)和產(chǎn)生原因都基本相同[8]。

圖5 316L不銹鋼自熔化TIG焊焊縫表面凹坑缺陷

進(jìn)一步的觀察表明，這些凹坑缺陷都位于焊縫的靠近熔合線位置附近，有的凹坑內(nèi)部還能用肉眼看到殘留的渣。 掃描電鏡觀察進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)如圖6所示，殘留渣的EDS分析結(jié)果表明，這些渣的主要成分是Al，Ca，Si，Mg和O等元素，即Ca和Mg的硅鋁酸鹽顆粒。

圖6 焊縫表面凹坑SEM像及殘留渣EDS結(jié)果

分析認(rèn)為，這些顆粒狀的渣是在焊接過(guò)程中高溫的熔池內(nèi)形成的，具有熔點(diǎn)高、密度較熔池中的液態(tài)金屬小的特點(diǎn)。因此，在液態(tài)熔池的浮力作用下向上逸出，而逸出速率取決于熔池密度、粘度系數(shù)和渣與熔池的界面張力等多種因素。與鐵素體不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性差、熔池粘度系數(shù)大、渣與熔池之間的界面張力也大，渣顆粒向上運(yùn)動(dòng)受到的阻力較大，逸出速度慢。因此，焊縫凝固后，有部分夾渣來(lái)不及完全逸出熔池表面，一部分露出焊縫表面而其余則留在焊縫中，由于熔合線附近是最先凝固位置，熔池存在時(shí)間短。因此，這些夾渣一般在熔合線附近被發(fā)現(xiàn)。在隨后的在線打磨過(guò)程中，這些夾渣顆粒脫離焊縫表面，同時(shí)在焊縫表面留下凹坑缺陷。究其原因，由于焊接工藝是無(wú)填充焊絲的母材自熔化TIG，這些在焊接過(guò)程形成的渣顆粒只可能是來(lái)源于母材內(nèi)部。對(duì)母材進(jìn)行電鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)分布無(wú)規(guī)律的夾雜物(圖7中圓形顆粒)，EDS分析表明7這些夾雜物的成分除了Fe，Cr，Ni等元素外，其余元素與表面渣顆粒中的基本一致。因此可以推斷焊縫中出現(xiàn)的夾渣顆粒來(lái)源于母材中的夾雜物在高溫熔池中的冶金反應(yīng)生成物。

圖7 母材中的夾雜物顆粒及EDS結(jié)果

為了進(jìn)一步證實(shí)這些微量元素在母材中的存在，采用化學(xué)分析法對(duì)母材進(jìn)行了這些元素的精確的化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2，與其他無(wú)此缺陷的材料成分相比，可見(jiàn)這一批316不銹鋼母材中的微量元素明顯高于一般水平。因此，當(dāng)母材中的Al，Ca，O，Mg等微量元素含量高于一般水平時(shí)，盡管合乎標(biāo)準(zhǔn)，但該不銹鋼不適用于母材自熔化焊接工藝。如果無(wú)法更換材料，在以上分析結(jié)果基礎(chǔ)上，可以考慮采用以下措施來(lái)在一定程度上防止或減少缺陷產(chǎn)生，但是最根本的防止措施還是對(duì)母材成分的嚴(yán)格控制：①適當(dāng)?shù)念A(yù)留I形坡口間隙，間隙寬度0.2～0.4 mm，在保證焊透的前提下適當(dāng)減小焊接電流和焊接速度，增加熔池停留時(shí)間，增加夾渣向外上浮時(shí)間；②采用混合保護(hù)氣體，如氦氣+氬氣混合氣體等，以提高電弧挺度和穿透力，增加熔池流動(dòng)性；③在焊接兩側(cè)坡口處涂覆活性焊劑， 可減小焊接電流，改善焊縫成形，且在焊接過(guò)程中活性元素可以減小熔池和渣顆粒之間的界面張力，提高夾渣逸出速率。

表2 實(shí)測(cè)微量元素對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 304L不銹鋼薄板焊縫成形不良

一般來(lái)說(shuō)，如無(wú)特殊說(shuō)明，304L不銹鋼中的S，P，O等元素被視為有害元素而嚴(yán)格控制，其含量越低，表明該不銹鋼雜質(zhì)元素控制嚴(yán)格，是“純凈”的優(yōu)質(zhì)不銹鋼。然而在特定情況下，不銹鋼在進(jìn)行無(wú)填充材料的母材自熔化焊接加工時(shí)，這些活性元素對(duì)焊縫成形具有顯著的影響作用，在某些情況下，可能會(huì)增加后續(xù)加工的時(shí)間和人力成本。下面結(jié)合在生產(chǎn)實(shí)踐中的具體實(shí)例來(lái)闡述。

國(guó)內(nèi)某保溫杯制造公司分別采用來(lái)自兩家不同鋼鐵公司生產(chǎn)的304不銹鋼，規(guī)格為0.8 mm，在同一直縫焊管生產(chǎn)線上采用母材自熔化TIG焊接方法生產(chǎn)保溫杯的不銹鋼內(nèi)膽。焊接工藝參數(shù)為焊接電流 150～160 A，焊接速度 800 mm/mim，保護(hù)氣體流量12 L/min。該內(nèi)膽由于后續(xù)工藝中需要進(jìn)行螺紋的加工，因此要求焊縫與母材具有較高的平直度，即焊縫的正面及背面無(wú)余高。焊接完成后發(fā)現(xiàn)，在相同的焊接設(shè)備、工藝參數(shù)及操作工條件下，A公司的304L不銹鋼板獲得的焊縫可滿足要求，而B(niǎo)公司的304L不銹鋼焊縫雖然也無(wú)明顯缺陷，但其焊縫背部余高較大，盡管可繼續(xù)使用，但為后續(xù)加工增加了難度。圖8a中所示為A公司316L不銹鋼獲得的焊接接頭截面形狀，焊縫厚度與母材厚度基本一致；圖8b中所示為B公司的316L不銹鋼獲得的焊接接頭截面形狀，可以看出，焊縫兩側(cè)都高于母材表面，且背部余高較大，焊縫的整體厚度大于母材。B不銹鋼的焊接接頭如果用于普通的焊管生產(chǎn)，則完全可認(rèn)為是合格的焊縫。但是在某些應(yīng)用條件下，由于涉及到美觀及后續(xù)加工的因素，希望獲得壁厚均勻的焊管。在這種情況下，A公司的產(chǎn)品具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而B(niǎo)公司不銹鋼獲得的焊接接頭則認(rèn)為焊縫成形不良，通過(guò)打磨去除余高會(huì)增加用戶的使用成本。最終結(jié)果導(dǎo)致用戶棄用B公司不銹鋼材料，盡管該不銹鋼具有優(yōu)良的化學(xué)成分和性能。

圖8 兩種316L不銹鋼焊接接頭截面形狀對(duì)比

常規(guī)的化學(xué)元素檢測(cè)表明，兩種304L不銹鋼中的C，Si，Mn，Cr，Ni等元素的含量并無(wú)顯著差別，都符合標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)成分的要求范圍。進(jìn)一步的分析認(rèn)為，這種成形上的差異是由不銹鋼中的微量元素的差別導(dǎo)致的，與活性元素及界面張力、潤(rùn)濕性等具有密切的關(guān)系。因此，采用化學(xué)分析法測(cè)定了2種不銹鋼中的S 和P元素含量(由于板厚過(guò)小無(wú)法測(cè)量O元素含量)，對(duì)比結(jié)果示見(jiàn)表3，A和B不銹鋼的 P含量相近，但A公司不銹鋼中S元素含量是B公司不銹鋼中的5倍，S是一種作用較強(qiáng)的表面活性元素，另外一種作用較弱的活性元素Si含量分別為0.42和0.39，分析認(rèn)為是這一類(lèi)微量活性元素的差異導(dǎo)致了焊縫成形的差異。

表3 實(shí)測(cè)微量元素對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊接過(guò)程中熔池和母材之間的固-液相之間的界面行為可以用以下幾個(gè)概念來(lái)表達(dá)，即潤(rùn)濕性、界面張力和接觸角(潤(rùn)濕角)。這些概念實(shí)際上基本一致，與表面活性元素密切相關(guān)，鋼鐵材料中的表面活性元素基本上都是元素周期表中第VIA族中的非金屬元素，這些元素在熔池中的含量增加，表面張力會(huì)迅速降低，而其它非表面活性元素對(duì)熔池的表面張力影響非常小[9]。表3中活性元素實(shí)測(cè)結(jié)果表明，B不銹鋼盡管為優(yōu)質(zhì)的純凈度高的不銹鋼，但是在焊接加工時(shí)，熔池中的活性元素含量少，表面張力大，因此液相對(duì)固相(母材未熔化部分)的潤(rùn)濕性差，接觸角θ大，即熔池中的液相不易鋪展至兩側(cè)的固相表面，由于兩相接觸角大，熔池兩側(cè)皆凸出母材表面，在重力作用下，熔池背部凸出更多，這種形態(tài)一直保持至焊縫凝固。盡管此案例不是嚴(yán)格意義上的焊接缺陷，但是也應(yīng)該引起研究及技術(shù)人員的足夠重視。

4 結(jié)束語(yǔ)

300系鉻鎳奧氏體不銹鋼是不銹鋼系列中焊接性最優(yōu)良的不銹鋼，但是由于奧氏體組織自身的特點(diǎn)，母材中的微量元素含量對(duì)焊接過(guò)程中的界面行為具有顯著的影響，主要導(dǎo)致的焊接缺陷為焊接熱裂紋、焊縫凹坑、夾渣和焊縫成形不良等。這些因素如果在不銹鋼成分設(shè)計(jì)和工藝控制過(guò)程中得到足夠重視，就可以在后續(xù)的焊接加工中避免焊接缺陷的產(chǎn)生，從本質(zhì)上提高材料的焊接性，而此類(lèi)冶金缺陷通過(guò)焊接設(shè)備及工藝調(diào)整無(wú)法消除或只能在有限程度得以緩解。由于焊接冶金過(guò)程具有加熱冷卻速度快，極值溫度高和可控性差等特點(diǎn)，這些會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷產(chǎn)生的因素在進(jìn)行焊接加工之前必須采取有效措施消除。尤其是采用母材自熔化焊接進(jìn)行焊接加工的材料，對(duì)不銹鋼材料中的微量元素應(yīng)提出更精細(xì)的要求。綜上所述，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對(duì)材料的焊接性特點(diǎn)應(yīng)具有深刻的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步細(xì)分市場(chǎng)及產(chǎn)品，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)生產(chǎn)不同微量元素含量的不銹鋼產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。